浅析现场总线技术及应用

1、浅析现场总线技术及应用科技信息.科教前沿0SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION2009年第27期浅析现场总线技术及应用王凤霞郭东江(唐山劳动高级技校河北唐山063020)【摘要】现场总线(Fieldbus)20世纪80年代末,90年代初国际上发展形成的,用于过程自动化,制造自动化,楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络.它作为工厂数字通信网络的基础,沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系【关键词】现场总线;技术特点;优点目前各技校或技师学院电专业课比较盛行PLC,其实在这个信息发展飞快的时代,作为电专业的教师和学生也有必要学学

2、现场总线(Fieldbus).现场总线(Fieldbus)是20世纪8O年代末,90年代初国际上发展形成的.主要解决工业现场的智能化仪器仪表,控制器,执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题.它作为工厂数字通信网络的基础,沟通了生产过程现传感,控制,计算机,数字通讯等技术为主要内容的综合技术,已经受到世界范围的关注,成为自动化技术发展的热点,并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革.国际上许多实力,有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场层,作为工厂设备级基础通讯网络,要求具有协议简单,容错能力强,安全性好,成本低的特点:具有一定的时问确定性和较高的实时

3、性要于上述特点,现场总线系统从网络结构到通讯技术,都具有不同上层高速数据通信网的特色.一般把现场总线系统称为第五代控制系统,也称作FCS现场PCS称作第一代,把420mA等电动模拟信号控制系统称为第二代,把数字计算机集中式控制系统称为第三代,而把70年代中期以来的新一代控制系统,一方面,突破了DCS系统采用通信专用网络的局限.采用了基于公开化,标准化的解决方案,克服了封闭系统所造成的缺陷:另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构,变成了新型全分布式结构,把控制功能彻底下放到现场.可以说,开放性,分散性与数字通讯是现场总线系统最显着特征.现场总线技术在历经了群雄并起,分散割据的初始阶段后

4、,尽管中有较强实力和影响的有:FoudationFieldbus(FF),LonWorks,Profibus,HART,CAN,Duphne等.它们具有各自的特色,在不同应用领域形成了自己的优势.什么是现场总线呢?根据国际电工委员会(IEC)和美国仪表协会fISA)的定义:现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字,双向传输,多分支结构的通信网络,它的关键标志是能支持双向多节点,总线式的全数字通讯,具有可靠性高,稳定性好,抗干扰能力强,通信速率快,系统安全,造价低廉,维护成本低等特点.技术特点有:传输媒体(双绘线,同轴电缆或光纤)以总线拓扑相连;1.2网络数据通信采用基带传输(即数字数据数字

5、传输),数据传输速率高(为Mbit/s或10Mbit/s级),实时性好,抗干扰能力强;1-3废气了集散控制系统(DCS)中的I/0控制站,将这一级功能分配给通信网络完成;1.4分散的功能模块,便于系统维护,管理与扩展,提高可靠性;1.5开放式互连结构,既可与同层网络相连,也可通过网络互连设备与控制级网络或管理信息级网络相连;1.6互操作性,在遵守同一通信协议的前提下,可将不同厂家的现场设备产品统一组态,构成所需要的网络.由于现场总线的以上特点,特别是现场总线系统结构的简化,使控制系统的设计,安装,投运到正常生产运行及其检修维护,都体现出优越性.的智能设备能直接执行多种传感,控制,报警和计算功能

6、,因而可减少变送器的数量.不再需要单独的控制器,计算单元等,也不再需要DCS系统的信号调理,转换,隔离技术等功能单元及其复杂接线,还可以用工控PC机作为操作站,从而节省了一大笔硬件投资,由于控制设备的减少.还可减少控制室的占地面积.2.2节省安装费用.现场总线系统的接线十分简单,由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备,因而电缆,端子,槽盒,桥架的加现场控制设备时.无需增设新的电缆,可就近连接在原有的电缆上,测算资料,可节约安装费用6O%以上.理的能力,并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室,用户可以查询所有设备的运行,诊断维护信息,以便早期分析故障原因并快速排除.缩短了维护停工时间

7、,同时由于系统结构简化,连线简单而减少了维护工作量.商所提供的设备来集成系统.避免因选择了某一品牌的产品被"框死"了设备的选择范围.不会为系统集成中不兼容的协议,接口而一筹莫展.使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中.2.5提高了系统的准确性与可靠性.由于现场总线设备的智能化,数字化.与模拟信号相比.它从根本上提高了测量与控制的准确度,减少了传送误差.基金会现场总线.即FoudationFieldbus,简称FF,这是在过程自动Fishel"一Rousemount公司为首.联合Foxboro,横河,ABB,西门子等80家公司制订的ISP协议和以Honeywel

8、l公司为首,联合欧洲等地的150家公司制订的WordFIP协议.屈于用户的压力,这两大集团于1994年9月合并,成立了现场总线基金会,致力于开发出国际上统一的现场总线协议.它以IS0/OSI开放系统互连模型为基础,取其物理层,数据链路层,应用层为FF通信模型的相应层次,并在应用层上增加了用户层.速率为3125Kbps,通信距离可达1900m(可加中继器延长),可支持总两种,其通信距离为750m和500rn.物理传输介质可支持比绞线,光缆跳变代表0,负跳变代表I,从而使串行数据位流中具有足够的定位信数据的1',0'状态.也可根据数据的中心位置精确定位.LonWorks是又一具有强

9、劲实力的现场总线技术,它是由美国Ecelon公司推出并由它们与摩托罗拉,东芝公司共同倡导,于1990年正式公布而形成的.它采用了ISO/OSI模型的全部七层通讯协议,采科技信息0科教前沿oSCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION2009年第27期用了面向对象的设计方法,通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置,其通讯速率从300bps至15Mbps不等,直接通信距离可达到2700m(78kbps,双绞线),支持双绞线,同轴电缆,光纤,射频,红外线,电网络.另有Profibus,CAN,HART和RS一485等.传统的计算机控制系统一般采用DCS结构.在DCS中

10、,对现场信号需要进行点对点的连接,并且I/O端子与PLC或自动化仪表一起被放在控制柜中,而不是放在现场.这就需要铺设大量的信号传输电缆,布线复杂,既费料又费时,信号容易衰减并容易被干扰,而且又不便维系统则完全克服了这些缺点4.1FCS借助于现场总线技术.所有的I/O模块均放在工业现场,而且所有的信号通过分布式智能I/O模块在现场被转换成标准数字信号,只需一根电缆(两线或四线)就可把所有的现场子站连接起来,进而把现场信号非常简捷地传送到控制室监控设备上,减低了成本,又便于安装和维护,同时数字化的数据传输使系统具有很高的传输速度和很强的抗干扰能力.4.2FCS具有开放性.在FCS中,软件和硬件都遵

11、从同样的标准,语言,编程和开发工具是完全开放的,同时还可以利用PC丰富的软硬件资源.4.3系统的效率高.在FCS中,一台PC可同时完成原来要用两台系统下,PC中的软PLC可以同时执行多达十几个PLC任务,既提高了效率,又降低了成本.且PC上的PLC具有在线调试和仿真功能,极大地改善了编程环境4.4在FCS中,系统的基本结构为:工控机或商用PC,现场总线主站接口卡,现场总线输入/输出模块,PLC或NC/CNC实时多任务控制软件包,组态软件和应用软件.上位机的主要功能包括系统组态,数据报表组态,历史库组态,图形组态,控制算法组态,数据报表组态,实时数据显示,历史数据显示,图形显示,参数列表,数据打

12、印输出,数据输入及参数修改,控制运算调节,报警处理,故障处理,通信控制和人机接口等各个方面,并真正实现控制集中,危险分散,数据共享,完全开放的控制要求.是否有了现场总线技术就可替代PLC,IPC,DCS控制呢?对于PLC,它的标准是很严格的,一开始就是为恶劣工业环境应用而诞生.使用极为方便,加上PLC本身不断吸收各种新技术而发展,其生命力会和计算机一样持久,而决不会想某些人想像的那样会现场总线所替代.在工业测控中,2/3以上是开关量(按扭,开关,触点),除过程控制际标准定义的概念是为减少电缆,用总线将现场的智能传感器和执行器与控制装置(如PLC,IPC,DCS控制站)连接.显然,现场总线并不是

13、独立的控制系统或装置.因为PLC,IPC,DCS的控制装置本身就具有通讯功能,所以,现场总线的实质就演变为是针对仪表的革命,它要求总线F崛LDBUS与控制器是两码子事,但国内有些朋友把他们混沌了.事实上,现场总线只有一个优点,那就是大大减少电缆,这一点对有些恰恰是很重要的,如大楼布线,及那些布线和电缆维护困难的场合.发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为注的焦点课题,国际上现场总线的研究,开发,使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢,机会,也是一次严峻的挑战.现场总线技术是控制,计算机,通讯技术网络技术日新月异,发展十分迅猛,一些具有重大影响的网络新技术必将进一步融合到现场总线技术之中.现场总线

14、属于尚在发展之中的技术,我国在这一技术领域还刚刚展,对自动化技术,设备的更新,无疑具有重要的作用.总体说来,自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向前进,这一发展趋势是肯定的.企业网络的快速发展,为企业带来新的效益,因而会得到广泛的应用.并推动自动化相关行业的发展.【参考文献】1朱岩.工控机总线技术的发展与应用.(2o0412).2吴道虎.现场总线技术及其应用.(200612).3沈德耀,金敏l现场总线纵横谈.(20o711).责任编辑:张慧(上接第33页)们对农药残留的认识的加深,仪器,软件和方法的不断相色谱能同时准确快速测定多种农药残留的优点.【参考文献】1刘虎威.气相色谱方法及应用M

15、1.北京:化学工业出版社,2000,127.数【JJ.分析化学,2009,37(4),630631.类农药残留量【J1.上饶师范学院,2008,28(6),43_46.4150艳.魏洽气相色谱法测定乐安江底质有机氯农药残留J1_环境科学与技术,2009,32(3),108-1l1.5张亮,李友广.果蔬中有机氯农药残留的分析测定叨.生物技术,2009,19(1),48-50.PesticideResiduesfromMusselsusingsop-pakCatridges【JJ.Chromatogr,2000,51f12),71767方志宁.气相色谱法测定水中有机氯农药lJ1.化学工程与设备,2

16、008,5,1001O2.8张道宁,占伟.固相微萃取与色谱联用方法分析水中l2种有机氯化合物lJ1.分析化学.1999,27(7),768772.农药残留量【J.分析试验室,2008,27(1),6567.产,2009,33(1),132138.11梁卫清,陆梅等.气相色谱法测定水中溴氰菊脂叨.仪器仪表与分析监测,2009,1,4243.12张睿,丁照耘.气相色谱法测定蔬菜中残留的甲氰菊酯农药叨.甘肃科技,2008.24f22),85186.13姚新建,张保东等.气相色谱法测定蔬菜中有机磷的研究lJ1.安徽农业科学,2008,36(36),15776-15777.究fJ】.食品工程,2008,4,4648.试,2009,35(221,8689.PesticidesinHoneybeesafterSolid-PhaseMicroextraction【J.JChromatogrA,2001.92